Os cientistas conseguiram enganar o tempo e pegar uma partícula fantasma
Os físicos russos, junto com seus colegas americanos, conseguiram encontrar a confirmação de quase meio século de previsões de que a chamada "partícula fantasma" dos neutrinos interage com a matéria comum. Foi realizado um estudo que pode ajudar a criar um dispositivo que pode ver através de reatores nucleares, bem como descobrir quais processos ocorrem dentro das supernovas.
Em 1974, uma teoria foi expressa entre os cientistas sobre a possibilidade de interação de alguma forma desconhecida entre os neutrinos e a matéria. Essas partículas elementares, milhões de vezes mais leves que um elétron, podem passar livremente pelos planetas. As colisões com núcleos atômicos ocorrem periodicamente e os neutrinos interagem com alguns nêutrons e prótons. Mas, há quatro décadas, os cientistas presumiram que é possível uma interação entre o neutrino e o núcleo como um todo. Esse mecanismo é chamado de espalhamento coerente de neutrinos nos núcleos. Foi proposto como um dos componentes do Modelo Padrão de interações eletrofracas, mas não foi confirmado experimentalmente até agora.
A interação eletrofraca é uma descrição geral de várias interações fundamentais - eletromagnéticas e fracas. É geralmente aceito que depois que o Universo atingiu uma temperatura de cerca de 1015 Kelvin (e isso aconteceu quase imediatamente após o Big Bang), essas interações formaram um único todo. As forças fracas, em contraste com as eletromagnéticas, se manifestam em uma escala muito menor em relação ao tamanho do núcleo atômico. Eles proporcionam o decaimento beta do núcleo, no qual é possível liberar não apenas neutrinos, mas também antineutrinos. Ao mesmo tempo, de acordo com a teoria da interação eletrofraca, não apenas surge um neutrino, mas também sua interação com a matéria, a matéria.
A teoria diz que se ocorrer um processo de interação entre o neutrino e o núcleo devido ao espalhamento coerente, então a energia é liberada, que é transferida para o núcleo através do bóson Z, que é o portador da interação fraca. É muito difícil consertar esse processo, porque a liberação de energia é muito insignificante. Para aumentar a probabilidade de espalhamento coerente, elementos pesados são usados como alvos, em particular, césio, iodo e xenônio. Ao mesmo tempo, quanto mais pesado o núcleo, mais difícil é detectar esse recuo, o que, por sua vez, também complica a situação.
Cientistas propuseram o uso de detectores criogênicos para detectar espalhamento de neutrinos, teoricamente capazes de registrar até a interação de matéria simples e matéria escura. Um detector criogênico é uma câmara muito fria, com temperatura apenas um centésimo de grau acima do zero absoluto, e que captura a pequena quantidade de calor que é liberada durante a reação dos núcleos com os neutrinos. Cristais de tungstato de cálcio ou germânio são usados como substrato; além disso, dispositivos supercondutores, líquidos inertes ou semicondutores modificados também podem desempenhar o papel de detectores.
Depois de fazer os cálculos necessários, os pesquisadores descobriram que o candidato ideal para o alvo é o iodeto de césio com impurezas de sódio. Foram os cristais dessa substância que se tornaram a base para o pequeno detector (seu peso era de apenas 14 quilogramas e o tamanho era de 10 x 30 centímetros). Este detector foi instalado na fonte de nêutrons SNS, que está localizada no estado americano do Tennessee, no Oak Ridge National Laboratory. O detector foi colocado em um túnel blindado com concreto e ferro, a cerca de duas dezenas de metros da fonte, que reproduz feixes de nêutrons, mas ao mesmo tempo tem um efeito colateral - os neutrinos.
Uma fonte artificial SNS, ao contrário das fontes naturais de neutrinos, em particular, a atmosfera terrestre ou o Sol, é capaz de produzir um feixe de neutrinos suficientemente grande para ser capturado por um detector, mas ao mesmo tempo pequeno o suficiente para a ocorrência de espalhamento coerente. Como observam os pesquisadores, o detector e a fonte se encaixam quase perfeitamente. As moléculas de iodeto de césio, ao interagir com as partículas, são convertidas em cintiladores (em outras palavras, reemitem energia na forma de luz). E foi essa luz que foi registrada. De acordo com o modelo padrão, um neutrino muônico, um neutrino de elétron e um antineutrino muônico entraram em interação com o cristal.
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Essa descoberta é importante. E a questão não é que os cientistas tenham mais uma vez confirmado a imagem física do mundo, que o Modelo Padrão descreve. Por meio do espalhamento coerente, os cientistas esperam desenvolver ferramentas e técnicas específicas para monitorar reatores nucleares para ajudar a ver através das paredes o que está acontecendo lá dentro. Além disso, o espalhamento coerente ocorre dentro de estrelas de nêutrons e comuns, bem como durante explosões de supernovas. Assim, será uma oportunidade de aprender mais sobre sua estrutura e vida. Os cientistas sabem que os neutrinos presentes nas entranhas das supernovas atingem a camada externa durante a explosão, formando uma onda de choque que rasga a estrela em pedaços. Devido ao espalhamento coerente, uma interação semelhante entre os neutrinos e a matéria da estrela que explode pode ser explicada.
Além disso, na busca por WIMPs - partículas teóricas de matéria escura - os pesquisadores contam com a detecção de radiação que surge de sua colisão e de seus núcleos atômicos. Deve ser diferenciado do fundo que cria um espalhamento coerente de neutrinos. Isso pode melhorar os dados que podem ser obtidos sobre a matéria escura usando detectores criogênicos e outros.
